自动车库门系统设计

合肥师范学院2015届本科毕业论文设计摘 要当今社会自动化、信息化程度越来越高。单片机的使用范围愈来愈广，慢慢地成为人们日常生活中不可或缺的一部分。随着社会的飞速发展、科技的迅速进步以及生活水平的不断提高，生活中的自动控制系统慢慢的增加，逐步的影响现代人们的生活。以单片机为核心的自动车库门系统就是其中之一，同时也标志了数字时代新的成员自动控制领域。本设计主要利用单片机电机控制系统来控制步进电机的运转进而控制车库门的自动开启与关闭。采用AT89C52 单片机作为控制核心，红外传感器、异步电机、限位开关相结合，微控制器与步进电机及其驱动电路、测控电路、LED指示灯等组成一个测控系统。充分发挥了单片机的性能，其优点具有电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点。通过编程来实现对步进电机的正转、反转运行状态的控制，对LED指示灯的观察和电机的运动状态来反映车库门的升起与落下，能够在直观、有效、安全性能高的的前提下对单片机的控制加以论述，希望对今后的技术改进与优化能够有所帮助。关键词： 单片机;自动车库门；红外传感器；异步电机AbstractAutomation in todays society, more and more high level of information. MCU range more widely, and slowly become an integral part of everyday life. With the rapid development of society, rapid advances in technology and the continuous improvement of living standards, the life of the automatic control system to increase slowly, and gradually the influence of modern peoples lives. SCM as the core of one of them automatic garage door system, but also marks a new member of the digital age - Automatic control.The main advantage of this design SCM motor control system to control the operation of the stepper motor controlled garage door and then automatically open and close. Using AT89C52 SCM as the core control, infrared sensors, asynchronous motors, limit switches combine a SCM with a stepper motor and drive circuit and control circuit, LED lights, etc. to form a control system. Give full play to the MCU performance, the advantage with a simple circuit, the software features improved control system is reliable, cost-effective features. Achieved by programming the stepper motor forward and reverse running state control, status LED on the movement observation and motor garage door to reflect rising and falling, can in an intuitive, effective, high safety performance Under the premise of the control of the SCM to be addressed, and I hope in the future of technology improvement and optimization can help.Keywords:single chip microcomputer;automatic garage door; infrared sensor;asynchronousmotor摘 要- 1 -Abstract- 2 -第一章 引言- 5 -1.1 课题研究的背景- 5 -1.2 课题研究的目的- 5 -1.3 课题研究设计思路- 5 -1.4 课题的设计要求- 5 -1.4.1智能化- 5 -1.4.2安全性- 5 -1.4.3稳定性- 6 -第二章 方案论证- 7 -2.1方案论述- 7 -2.2系统组成- 7 -2.3系统总体方案- 8 -第三章 系统硬件电路设计- 9 -3.1单片机最小系统- 9 -3.1.1 AT89C52芯片- 9 -3.1.2复位电路- 10 -3.1.3 晶振电路- 11 -3.2 红外蔽障传感器- 12 -3.3 步进电机- 12 -3.3.1步进电动机特点- 13 -3.3.2 驱动控制系统组成- 13 -第四章 系统硬件设计- 14 -4.1 设计电路的电框图和原理- 14 -4.2 系统硬件总体逻辑设计- 14 -4.3设计电路原理图- 15 -第五章 系统软件设计- 15 -5.1系统软件问题- 15 -5.2 方案程序设计思路- 15 -5.3 系统程序流程图- 16 -第六章 调试- 17 -6.1仿真- 17 -6.2硬件调试- 17 -6.3初步检查- 19 -6.4自动化性能测试- 20 -6.4.1手工操作- 20 -6.4.2恢复正常运行模式- 20 -6.5维护- 20 -结 论- 20 -致 谢 词- 21 -参考文献- 21 -附录1 PCB图- 23 -附录2 原理图- 24 -附录3程序- 25 -第一章 引言1.1 课题研究的背景随着科学技术的发展，全国拥有汽车的人数越来越多，人们把对汽车的维护和管理看得越来越重，当然对于车库门的要求也逐步提高了，国外先进的车库门不断进驻中国市场，国内车库门行业滞后。自动车库门主要分为卷帘车库门和翻板车库门。本文主要针对卷帘车库门的自动化和控制系统作了具体说明，运用单片机和红外传感控制的方法，实现自动车库门的具体功能。自动化与信息化的普及度随着社会的快速发展越来越高，单片机的应用领域越来越宽泛。本系统主要是以单片机、步进电机和传感器为核心。1.2 课题研究的目的经济快速发展的中国，私家车的数量剧增，车库已经是有车一族必不可少的一部分。随着科技的飞速发展，传统的卷帘门和对开门慢慢的被淘汰已然成为事实，自动门在使用中为我们能够提供高效、便捷、方便等诸多有利的服务。另外，随着国产自动门的逐步推广不但带动了国内自动控制领域的技术进步，而且还带动了经济的快速发展。随着汽车的普及，车库门的设计与安装也是一种产业趋势。1.3 课题研究设计思路车库门外的的红外传感器和机械驱动装置设备是自动车库门常见的主结构形式，当车子接近车库门时，红外传感器感知一个信号并传送给控制器，控制器将控制步进电机将库门打开。当车子通过车库门后传感器有延迟大概一秒（举例时间，并不一定需要多久来延迟）的时间，步进电机反转，自动门落下、关闭。如下图1.1轿车信号信号处理车库门控制电路图1.1 红外门原理图1.4 课题的设计要求自动车库门的主要要求有如下几个方面：1.4.1智能化 自动车库门的主控制系统首先应当是具有智能化，并能够对车库门运行时的速度进行任意调节、控制。确保自动车库门一直都能够拥有着良好的运行状态。而且具有自动修复、矫正的能力，纵使在狂风大雨等恶劣天气环境下，依然可以正常的进行开关门操作。1.4.2安全性 由于自动反转安全装置的存在。当发生某些特定的突发状况时，如障碍物、动物类触发红外发光设备引起非正常开关门，门将会自动反转并安全退出。避免造成不必要的意外事件的发生，在保证自动车库门正常运行时的安全性，有利于延长自动车库门的寿命。1.4.3稳定性 自动车库门采用步进电机，具有诸多的优良特性，如：效率高、节能、产生的噪音污染较小、转动速度快、长时间工作状态下不过热等，性能远远地优于传统交流伺服马达。在步进电机和T型齿条同步带的共同作用下，门在整个速度变化运行过程中具有优良的稳定性。不管电压波幅多大，在高性能的电源输入的作用下，都能够稳压。自动车库门可以根据所使用环境的不同，还要做好其相关的硬件的选用：1、备用电源:为防止在非正常情况下突然停电时，自动车库门也能工作正常，以防不测。2、辅助光线传感器:辅助光线传感器可以安装在自动车库门上。触发红外传感器，车库门升起，用手去遮挡红外传感器，门应该呈现打开状态。当手离开红外传感器不久后，门应该缓慢的关闭。综合以上所述，在如今社会经济的飞速发展为大背景下，自动车库门在很多领域逐渐展露出其优越性，这也将是今后千家万户所必需的。第二章 方案论证2.1方案论述 主要由AT89C52单片机及其外围电路、红外检测电路、步进电机控制电路等部分组成。单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电路输出信号，据此产生步进电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应的控制方式。感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器做出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。本文使用的传感器是一种光电传感器，它主要特点是发射与接收于一体。检测距离根据具体的使用环境来改进。这种传感器具有探测范围宽、抗干扰能力强、价格低廉、组装简单、操作简易等特点。当车体进入传感器的测算范围将触发感应装置，电机正转，与此同时用指示灯亮起来代替车库门的升起。用这种设计方案的电路和软件都将能够得到很大程度的简化。2.2系统组成此篇设计属于单片机嵌入式系统的典型应用。嵌入式计算机系统分为四种:工程控制机，中央处理器模块，嵌入式微机处理器和单片机。嵌入式系统如下几个特点：(1)面对的控制对象。(2)在工程控制系统中嵌入的构造状态。(3)能够在工业现场中稳定的特点。 （4)突出控制功能。单片机是惟一一款能够满足嵌入式应用的系统。完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态的应用系统，能满足面对控制对象、嵌入应用系统、现场的可靠运行以及非凡的控制品质等诸多要求，是目前发展最为迅速、种类繁多、数量最大的嵌入式系统。2.3系统总体方案如图2.1所示是总体框图，包括51单片机的最小系统，传感器感应模块，LCD指示灯电路，电机驱动电路。图2.1电路基本框图第3章 系统硬件电路设计3.1单片机最小系统3.1.1 AT89C52芯片单片机全称单片微型计算机。即微型计算机的主要部分高度集成在一个单芯片的微型计算机。是一种典型的嵌入式微控制器。其结构如图3.1所示： 图 3.1单片机结构框图AT89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，外形及引脚排列如图3.2所示 图3.2 AT89C51外形及引脚排列AT89C52主要特性1) 与MCS-51 兼容2) 4K字节可编程闪烁存储器3) 寿命：1000写/擦循环4) 数据保留时间：10年5) 全静态工作：0Hz-24Hz6) 三级程序存储器锁定7) 128*8位内部RAM8) 32可编程I/O线3.1.2复位电路复位电路是微机系统中，电路能够稳定、可靠工作必不可少的一部分，基本功能是：开关闭合，系统通电后，能够提供复位信号，而且要等到系统电压平稳之后，撤出。为了设计的可靠性，电源稳定后不能马上撤销复位，要设定一个延迟再撤销复位，这是因为电源开关时产生的抖动可能会影响到复位。电路图如图3.1。 图3.1复位电路3.1.3 晶振电路晶振电路是保证单片机系统正常工作而存在的，假如振荡器不起振，系统将不会工作。若振荡器不按照正常规律运行，在时间上，系统执行程序的时候就会存在误差，在通信中会表现出来：电路将无法通信。它的组成由一个晶振和两个瓷片电容，其中晶振和瓷片电容是无正负，将两个瓷片电容相连的那端直接接地，如图3.2所示。图3.2晶振电路3.2 红外蔽障传感器 传感器可以根据工作原理、使用环境、输出类型以及原材料等很多种不同的观点进行分类。如果根据工作原理不同来分类，主要分为物理、化学传感器。物理传感器是根据物理效应。被测信号量的细微变化在物理效应的作用下被转换成电信号。化学传感器主要是化学吸附、电化学反应等作为条件的传感器，类似物理传感器一样被转换成电信号。 特点如下：红色：VCC +；黑色：GND ；黄色：OUT 信号输出。工作电压：5VDC工作电流：10-15mA驱动电流：100mA感应距离：3-80CM注意事项：为了保护传感器的使用寿命和安全性，尽量不要在说明书规定范围外的外界温度下使用，虽然为耐水结构，在使用过程中不要与水容性切削油接触，则可以延长使用寿命和安全性。另，避免在强碱、酸性化学物质中使用！ 3.3 步进电机步进电动机是一种数控电机：脉冲信号传递到步进驱动器时，它将控制步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。控制脉冲个数可以进一步来控制角位移的大小，进而更加准确；电机的速度和加速度能够通过控制脉冲频率来改变。3.3.1步进电动机特点3.3.2 驱动控制系统组成环形脉冲、功率放大等组成的控制系统在步进电机的使用、控制中还是必须需要的，其方框图如3.3所示：图 3.3 驱动控制系统方框图 第四章 系统硬件设计4.1 设计电路的电框图和原理硬件组成如图4.1所示。组成系统的几个部分主要是AT89C52和及其外围电路、红外检测电路、门行程检测电路、步进电机控制电路等。单片机红外检测电路检测回路电路输出信号的门控和信号，在步进电机控制信号产生，改变在控制系统，控制系统进入对应的方式。 图 4.1 红外自动门控制系统的硬件组成4.2 系统硬件总体逻辑设计有很多种感应自动车库门，本设计主要介绍卷帘型感应自动车库门。主要是如下几个部分组成：主控制器：它是自动车库门的大脑，通过内部指导程序编译一些大规模集成块，做出指令，对电机系统工作的命令；而人们调整速度由主门打开，打开幅度等参数。感应探测器：就如同眼睛采集外部信号一样，在它的工作区域内有物体进入时，主控制器会收到一个脉冲信号。动力马达：为门的运作提供动力，控制门运行速度。 当门运行一次主要有以下几步：首先有车进入到传感器的工作范围，主控制器会接收到一个脉冲信号，确定后步进电机开始运转。电机在电流的驱使下做正向运转，带动同步带的转动，随着周期的运行，电机反转，自动车库门关闭。4.3设计电路原理图见附录2第五章 系统软件设计5.1系统软件问题在软件设计主要分为主程序和中断处理两个部分：首先主程序要完成IO接口定时器的初始化，设置中断输入；其次，传感器经过延迟而处于平稳的工作状态，等待中断；可以根据具体的使用情况中断处理应该有一个子程序，而且每一个子程序分工明确，在焊接硬件电路板后能够完成设计所需要的功能。5.2 方案程序设计思路主要以下面的设计思路： （1）信号采集、信号处理、信号控制、信号响应是几个要实现的基本功能 信号采集是红外传感器对其在工作范围内车辆的测定，并将它转换成物理信号进行模拟。 信号处理在接收到的物理信号进行处理，为下一步准备。 信号控制是由一个预定的控制方法控制达到设计要求准确操作。 响应的要求信号实现控制部分。 （2）对以上操作分析得出结论：信号接收部分使用红外线传感器能够更好地对距离测算。信号处理部分选择八位的ADC0809模数转换芯片符合实际的情况。 控制部分AT89C52较为合适。显示部分采用LCD指示灯。上述设计思路和要求如下：自动车库门控制系统检测到车辆的距离和移动通过红外传感器门之间，结果送入ADC0809A/D芯片的模拟-数字转换；然后由单片机自动车库门开关的操作控制信号，然后驱动器通过可逆直流电机驱动电路，然后由驱动电路自动门的下降和上升。5.3 系统程序流程图程序初始化外部红外设备不中断结束红外设备中断是否触发红外设备中断，电机正转，模拟门打开，指示灯亮红外设备是否中断红外设备中断，电机反转，模拟门落下，指示灯灭 否是否是 图5.1 总程序流程图 第6章 调试6.1仿真Proteus软件给我们提供了一个非常实用的仿真平台，不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。Proteus也可以作为学校单片机(电子等)实验的模拟仿真，也可以作为个人工作室的仿真实验。作为电子技术或控制类相关专业的学生和工程技术人员，在学习了该软件后，可以充分地利用它所提供的资源，帮助自己提高工程应用能力。6.2硬件调试（1） 静态检查根据硬件电路图核对各个元器件的型号、规格、极性、单片机的插接方向是否正确。用万用表等工具检查硬件电路连线是否与电路图一致，有无短路、焊接不成功等现象的发生。防止电源短路和极性接反。（2） 通电检查时，可以模拟各种输入信号分别送入电路的各有关部分，观察i/o口的动作情况，查看电路板上有无元件过热、冒烟、异味等现象，各相关设备的动作是否符合要求，整个系统的功能是否符合要求。图6.3 反面焊接图图6.4正面图如果在调试器件上出现问题，可以按以下步骤进行：1）检查原理图连接是否正确2）检查原理图与PCB图是否一致3）检查原理图与器件的DATASHEET上引脚是否一致4）用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象5）查询器件的DATASHEET，分析一下时序是否一致，同时分析一下命令字是否正确（注意，命令字的顺序很重要，前些日子调试INTEL e28F640这款flash是的时候，在对其擦除和写操作的时候，就碰到了这样的问题）6）有条件的可以用示波器。可以通过示波器对SRAM各个引脚进行检查，发现地址线都是有信号的，而数据线无信号出现，才找到问题所在。7）飞线。用别的的口线进行控制，看看能不能对其进行正常操作，多试验，才能找到问题出现在什么地方。注意：在焊接的时候要注意焊锡的用量，以防止用锡过多造成电路出错，这样不但伤害电路，也很难以寻找出错位置，因此在焊锡的时候一定要注意走锡。我使用一张卡来对汽车的模拟，当接通电源时，整个设备是处于工作状态的。没有卡进入红外蔽障传感器工作范围以内时，整个设备是静止的，如图6.5，当有卡片进入范围时指示灯亮起，而此时电机也开始工作（电机正转，车库门升起）如图6.6，当卡离开时，电机有一个延迟时间（大概是1s），来确保汽车完全入库，防止库门落下发生危险。汽车安全入库时电机反转，如图6.7，车库门落下，此时整个模拟结束。 图6.5 静止状态 图6.6 指示灯亮起 电机正转 图6.7 指示灯灭 电机开始反转6.3初步检查 1）门的整体结构适用自动控制，尤其要注意轮直径必须匹配需要控制门的重量， 体积和重量符合有关技术规范。为了防止在发生倾斜滑动门。2) 确保大门活动平稳、准确。3) 地面要求稳固，防止固定基座出现不安全因素。6.4自动化性能测试组装完成以后要对门控系统和各种辅助零部件进行安全测试防止发生危险，在交付使用前，要向用户演示正确操作以及突发状况的解决办法。6.4.1手工操作若门控系统出现故障，必须人工移动大门时，请如下操作：（1） 用一张卡打开防护门；（2） 取出厂家提供门钥匙，插入顺时针旋转，直到停止工作；（3） 手工打开或关闭大门。6.4.2恢复正常运行模式（1） 将门恢复关闭位置 （2） 逆时针旋转释放钥匙（3） 将释放钥匙，放回原处，关闭防护门 （4） 移动大门，直至碰上释放网格6.5维护（1） 至少每间隔半年要进行一次维护 （2） 检查释放系统是否能够有效完成规定动作 结 论毕业设计主要工作是由单片机控制系统、传感器检测系统和故障处理组成的三个系统。通过了解相关红外自动车库门的控制系统，收集国内外相关制造方法，自动车库门的控制系统设计工作的理解，实际可能的选项的设计方式相比。设计中，简单的单片机C - 51语言和内部时钟电路、检测和控制核心的微控制器，微功能及控制特点，结合。建议的设计，微控制器，传感器的用途，PCB板的生产控制原理的详细说明，电路原理及调试，对应的硬件和软件系统的设计。结合电路及软件的设计要求，以达到原设计构思的基本测试功能。通过这次的毕业项目设计，通过项目遇到的困难，所以要小心、耐心、分阶段的对结果进行修改和改进。通过这次毕业项目设计，我对硬件，有了系统全面理解。以前的理论和实用的应用程序相结合，汇编语言的使用与设计，综合利用了最直接的软件程序编程方法，深刻理解单片机。对我未来就业，有了很大的帮助。同时，增加今后工作的信心，独立开发系统的经验。红外线自动车库门的控制系统设计，使我认识到，我所学习的还是很肤浅的，知识面的狭隘。考虑问题不全面，遇到瓶颈举棋不定。在焊接过程中，要学会将理论与实践相结合的重要性。毕业设计中我收获很大，学到很多。首先，做学问要怀着认真的态度，不能有一丝的马虎懈怠；其次，不要轻易的放弃，坚持下去，遇到困难并不可怕，可怕的是明知道有困难还不愿花时间去解决困难；最后，要学会与人合作，一个人的力量毕竟是有限的，思考的角度也是局限的，多听取别人的宝贵意见，虚心向别人学习，这样可以起到事半功倍的效果致 谢 词 记得大一刚开学的时候，都说大学毕业还有很远，可转眼就要离开自己熟悉的校园，各自奔赴自己的前程。随着离校的日期临近，毕业论文也慢慢地成为大学中我们唯一的牵挂。在本次论文设计过程中： 感谢我的导师徐晓丽老师，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样;他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。徐老师对该论文从最初的选题，设计思路到最后定稿的每一个环节都给了我细心的指引与教诲,使我能够最终完成毕业论文设计。感谢王俊杰老师，这片论文的每个实验细节和每个错误的纠正，都离不开你的细心指导。而你开开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入毕业设计的工作氛围中。谢谢你对我们的严格，正是你这种严谨的态度让我们广大学子能够得以顺利的完成设计，是你的督促才让我们知道紧迫感和责任心，做学问就是需要这样的态度与精神。感谢我的小伙伴们，从那远方来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着班级那份家的和谐。四年了，回首一想仿佛就在昨天。在大学的四年里，我们没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起像每年那样聚会了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。但愿远赴异地继续求学小伙伴们顺顺利利，我永远会记得我们在一起的大学时光，是你们让我的大学丰富多彩，是你们伴我一起成长。在大学即将毕业之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。参考文献1传感器及其应用.张金铎 金欢阳名编著.西安电子科技大学出版社，2002.2传感器及其应用实例.何希才编著.